ANU脱盐技术突破，在全球变暖之际加强全球水安全

诸平

Fig. 1 ANU Reporter Masthead Image

Fig. 2 Dr Juan Felipe Torres (L) and ANU PhD student and research first author, Shuqi Xu (R), say conventional reverse osmosis desalination technology is a costly, energy-intensive process and that a paradigm shift is essential to sustain human life over the next century. Photo: Jamie Kidston/ANU 

据澳大利亚国立大学(Australian National University简称ANU, Canberra, ACT, Australia)2024年5月30日提供的消息，澳大利亚国立大学脱盐技术突破，在全球变暖之际加强全球水安全(ANU desalination breakthrough to bolster global water security as planet warms)。

澳大利亚国立大学(ANU)的科学家开发了（developed by scientists）一种更简单、更经济的方法，即利用热量从海水中去除盐分，这可能会解决前所未有的全球水资源短缺问题。

到2025年，18亿人可能面临粮食及农业组织(Food and Agriculture Organization简称FAO)所说的绝对缺水问题（“absolute water scarcity”）。

为了解决水危机，澳大利亚国立大学的研究人员开发了世界上第一个热脱盐方法，该方法使水在整个过程中保持液态。相关研究结果于2024年4月8日已经在《自然通讯》（Nature Communications）杂志网站发表——Shuqi Xu, Alice J. Hutchinson, Mahdiar Taheri, Ben Corry, Juan F. Torres. Thermodiffusive desalination. Nature Communications, 2024, 15, Article number: 2996.  DOI: 10.1038/s41467-024-47313-5. Published: 08 April 2024. https://www.nature.com/articles/s41467-024-47313-5

此研究表明，这种节能方法不是由电力触发的，而是由阳光直接产生的适度热量或空调或工业过程等机器产生的废热触发的。

首席研究员胡安·费利佩·托雷斯（Juan Felipe Torres）博士是世界领先的机械和航空航天工程师，他首先提出了热扩散海水淡化的概念。他说，这项技术背后的现象被称为热扩散（’thermodiffusion’）或索雷特效应（'Soret effect’），在19世纪被发现，但仍未得到充分利用。胡安·费利佩·托雷斯说:“我们回到了热脱盐的方法，但采用了一种以前从未使用过的原理，即过程背后的驱动力和能量是热。”

“热扩散是19世纪50年代瑞士科学家查尔斯·索雷特(Charles Soret)首次详细报道的一种现象，他用一根30 cm长的水管做实验，其中一部分水较冷，另一部分水较热。“他发现盐离子缓慢地移动到冷的一边。”

为了测试这种效应是否可以用于海水淡化，研究人员将海水通过一个狭窄的通道，从上面加热到60度，从下面冷却到20度。“扩散需要53天才能达到稳定状态，而30 cm的管子对我们的目的来说太长了，而且无法扩展，”胡安·费利佩·托雷斯博士说,“我们的任务是找到一种快速追踪扩散过程的方法。”

澳大利亚国立大学的研究人员发现，调整分离条件可以显著提高扩散过程的速度，只需几分钟。

胡安·费利佩·托雷斯博士说:“关键是将通道高度从30 cm降低到1 mm，并增加多个通道。”

澳大利亚国立大学博士生、上述论文的第一作者徐淑琪（Shuqi Xu音译）说，一旦盐迁移到较冷的水中，该装置就会通过通道重新处理较热的纯化水，同时去除较冷的较咸的水。徐女士补充说:“每次水通过通道，其盐度就会降低3%。我们的研究表明，经过反复循环，海水盐度可以从30000 ppm降低到500 ppm以下。”

根据澳大利亚国立大学的研究人员的说法，目前的海水淡化技术——盐通过膜过滤——需要大量的电力和昂贵的材料，需要维修和维护。

胡安·费利佩·托雷斯博士说：“世界上80%的海水淡化方法使用反渗透（reverse osmosis），这增加了复杂性，而且运行成本很高。如果我们在不改变基本原理的情况下继续微调现有技术，可能还不够。范式的转变对于在下个世纪维持人类的生命至关重要。”

通过进一步的测试，研究人员希望在8年内生产出第一台商用设备。

这项研究得到了澳大利亚外交和贸易部{ Australian Department of Foreign Affairs and Trade (Grant type: SciTech4Climate)}、澳日研究基金会（Foundation for Australia-Japan Studies）的资助。该项目还得到了澳大利亚国立大学气候、能源和灾害解决方案研究所(ANU Institute for Climate, Energy and Disaster Solutions简称ICEDS)的支持。

来自ICEDS的莫娜·蔓哈妮（Mona Mahani）博士说:“该项目已经在汤加（Tonga）部署了一个商业上最先进的太阳能驱动的海水淡化装置，以试点其在农业和干旱缓解战略中的应用。”

上述介绍，仅供参考。欲了解更多信息，敬请注意浏览原文或者相关报道。

Abstract

Desalination could solve the grand challenge of water scarcity, but materials-based and conventional thermal desalination methods generally suffer from scaling, fouling and materials degradation. Here, we propose and assess thermodiffusive desalination (TDD), a method that operates entirely in the liquid phase and notably excludes evaporation, freezing, membranes, or ion-adsorbing materials. Thermodiffusion is the migration of species under a temperature gradient and can be driven by thermal energy ubiquitous in the environment. Experimentally, a 450 ppm concentration drop was achieved by thermodiffusive separation when passing a NaCl/H₂O solution through a single channel. This was further increased through re-circulation as a proof of concept for TDD. We also demonstrate via molecular dynamics and experiments that TDD in multi-component seawater is more amenable than in binary NaCl/H₂O solutions. Numerically, we show that a scalable cascaded channel structure can further amplify thermodiffusive separation, achieving a concentration drop of 25000 ppm with a recovery rate of 10%. The minimum electric power consumption in this setup can be as low as 3 Wh_e m⁻³, which is only 1% of the theoretical minimum energy for desalination. TDD has potential in areas with abundant thermal energy but limited electrical power resources and can contribute to alleviating global freshwater scarcity.